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在移动之外新的应用中实施MIPI相机和显示接口
作者：Synopsys，产品市场营销经理，Hezi Saar
在汽车、物联网和多媒体应用中，对相机和显示屏的使用正在不断增加，设计人员需要多种图像和显示接口解决方案，来满足日益严格的功率和性能要求。传统上，设计人员采用MIPI相机串行接口（CSI-2）和显示串行接口（DSI），使用它们来连接图像传感器或显示屏，将其与应用处理器或移动应用（如智能电话）中的SOC相连。然而，由于MIPI接口的可靠优点和成功实现，它们现已在众多新应用中得到实施，如高级驾驶员辅助系统（ADAS）、信息娱乐、可穿戴设备、增强/虚拟现实头戴式装置。在本文中，介绍了设计人员在汽车、物联网和多媒体应用中实施MIPI DSI和CSI-2的方式，以便能够多次使用相机和显示屏输入输出，同时满足其带宽和功率需求。
MIPI CSI-2和DSI：使用在移动应用
在过去的10年内，移动市场尤其是智能电话增长巨大，选择了MIPI CSI-2和DSI接口以便在移动设备中使用多个相机和一些显示屏。使用这些接口，能够在主机和装置之间实现低功率、低延迟和低成本的芯片-芯片连接，设计人员能够将低分辨率和高分辨率相机及显示屏连接在一起。这两种接口采用了相同的物理层，即MIPI D-PHY，使用它来讲数据传输至应用处理器或SOC（图1）。
图1：移动应用中的MIPI DSI和CSI-2实现
移动应用中的MIPI接口
在图2中，展示了在ADAS和娱乐信息应用中实施的MIPI相机和显示接口。在当今的汽车中，安装了多台摄像机，前部、后部和侧面，以便能够查看驾驶员周围360度的情形。在这类实施方案中，MIPI CSI-2图像传感器与图像信号处理器相连，图像信号处理器随后与桥式装置相连，从而使得整个模块与汽车主系统相连。在某些情况下，车载娱乐信息系统采用了DSI，用以实现使用了相同实施方案的显示接口。
图2：使用MIPI DSI和CSI-2规范的ADAS应用示
MIPI为汽车应用提供了一整套规范（图3）：
- DSI：用于驾驶员信息、无反显示和娱乐信息。
- CSI：用于ADAS应用、备用相机、防撞、无反光镜车辆和车内乘客信息获取。
- 其他接口：用于传感器连接的MIPI I3C，用于嵌入式和可移动卡存储的JEDEC UFS，以及SoundWire和RFFE。
图3：在汽车应用中使用MIPI联盟规范（MIPI联盟的图像）
物联网应用中的MIPI接口
有多种形式的物联网SOC，我们在此介绍部件或接口的一个超级集合，包括典型情况下用于物联网SOC中的MIPI。CSI-2，可能的DSI，以及包含SOC视觉处理部件的处理器。存储部件包括，用于低功耗DRAM的LPDDR，以及用于嵌入式闪存的嵌入式多媒体卡（EMMC）。对于有线和无线通讯，在诸多规范中进行了杠杆调节，如低功耗蓝牙、安全数据输入输出（SDIO）和USB，具体情况与目标应用相关。为了确保传输至云和储存在装置中的数据安全，安全是一个基本部分，它主要由多种引擎组成，如真随机数发生器和加密算法加速器。
在一个部件中连接了数十个或更多传感器，它是具有I2C或I3C和串行外围接口（SPI）的传感器及控制子系统。I3C是一种新的MIPI规范，它采纳了I2C和SPI的关键特性，并将其统一在一起，同时保留了双线串行接口。系统设计人员能够在装置中连接大量传感器，同时将功耗将至非常低，并降低部件成本和实施成本。与此同时，通过使用单个I3C总线，制造商能够将来自不同厂家的多种传感器组合在一起，从而实现新的概念，同时还能支持更长的电池寿命和性价比系统。
多媒体应用中的MIPI接口
MIPI相机和显示接口的新使用情形出现在多媒体应用中，如具有高分辨率相机和显示屏的虚拟/增强显示装置。在这类装置中，接口负责传输和接收来自多种源的多个图形，随后对其进行处理，并以极限质量发送给用户。下面给出了三个多媒体应用实施示例：
- 高端多媒体处理器：在该实施中，多个显示和相机输入通过CSI-2和DSI进入图像信号处理器，所述输入在典型情况下来自已处理和接收了图像的另一应用处理器。随后，图像信号处理器通过CSI-2或DSI将图像传输至相机或显示屏。
- 多媒体处理器：该实施主要用于姿态或运动识别，或人机界面。两个图像传感器通过CSI-2协议与处理器配合，在处理器处识别和处理运动或姿态数据，以便进一步分析和操控。随后，通过CSI-2协议，将经过处理的运功或姿态数据传输至应用处理部分。
- 桥式IC：由于存在多个图像输入输出，如同在汽车章节中介绍的那样，这就有了对桥式IC的需求。使用桥式IC，应用处理器的输出可分裂为两个显示流。
MIPI接口的优点
MIPI CSI-2对MIPI D-PHY物理层进行了杠杆处理，以便与应用处理器或SOC进行通信。图像传感器或CSI-2装置获取图像并将其传输至SOC所在的CSI-2主机。传输图像之前，它以单独帧形式位于存储器中。随后，每一帧通过虚拟信道、通过CSI-2接口传输。对于支持不同像素流、有时也支持多重曝光的多个图像传感器，采用并需要虚拟信道，并将虚拟信道标识指定给每一帧。考虑到来自相同图像传感器，但具有多个像素流的完整图像的传输，每一虚拟信道分为多行，一次传输一行。
MIPI CSI-2使用数据包进行通讯，它包含数据格式以及纠错码（ECC）功能，用于保护包头和对有效负载进行循环冗余码校验（CRC）。这类实施适用于从图像传感器到SOC的所有传输的数据包。单个数据包通过D-PHY 、通过CSI-2装置控制器传输，随后，分离到多个数据通道。D-PHY将数据分配到数个工作在高速模式下的数据通道，并通过信道将数据包传输到接收器。对于使用其D-PHY物理层的CSI-2接收器，它负责数据包提取和解码，最终将数据包传输至CSI-2主机控制器。随后，以高效、低功耗和低成本实施方式，该过程在CSI-2装置到主机间逐帧重复进行。
在具有多个相机和显示屏的典型系统中，CSI-2和DSI协议将使用相同的物理层（D-PHY）。根据具体的目标应用，在发现阶段有很多需考虑的事项，如所要求的带宽和装置类型。了解这类考虑事项，有助于设计人员确定D-PHY版本，以及所要求的数据通道数和数据通道的速度，随后，可确定需在系统中实施的管脚数。最后，设计人员能确定所需的接口以及其目标应用的存储器。例如，存在多种实施方案，其中，建立在D-PHY之上的CSI-2工作在每数据通道1.5 Gbps的速度下，在其他实施方案中，工作速度可达每数据通道2.5 Gbps。较低速度下的工作意味着更优化功耗和面积，但尤为重要的是，支持更快速度的较新图像传感器和显示屏，并不适用所有的应用场景。
总结
在众多移动之外的应用中，如汽车、物联网和包含增强/虚拟现实在内的多媒体应用，现已使用了多个相机和显示。对于所有这些应用，需要能够满足当今高分图像处理要求的高速、低能耗相机及显示接口解决方案。MIPI CSI-2和DSI是移动市场上的可靠接口，主要是智能电话，由于在其中成功实施，它们现已在众多新应用中得到试用。Synopsys拥有众多MIPI IP解决方案，包括控制器、PHY、验证IP、IP原型套件，它们与全新的MIPI规范兼容，，使用它们，设计人员能够将所需功能纳入其移动、汽车和物联网SOC中，同时还能满足在功耗、性能以及及时推向市场方面的要求。